JP2010014225A - ギヤヘッドと変速方法 - Google Patents

Abstract

【課題】主軸の出力特性を増加させることができるギヤヘッドを提供する。
【解決手段】ギヤヘッドが、主軸と、主軸側に設けた複数のギヤと、主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けられた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて、主軸側の複数のギヤの１つに選択的に係合させて主軸の変速を可能とするシフトギヤとを有する。モータが複数の巻線を有し、それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えることによって、主軸の変速を可能にする。モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤによる主軸の変速とを組み合わせて、主軸の出力特性を増加させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、変速機能付きのギヤヘッドと変速方法に関する。

従来、外周面にスプライン部を備えた伝動軸にシフトギヤをスライド操作自在に設け、このシフトギヤをスライド操作して、別位置にある所望の変速ギヤのギヤ歯にシフトギヤのギヤ歯を係合させて、変速操作する変速伝動構造は、公知である。特許文献１を参照。

主軸と、主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて、主軸の変速を可能とするシフトギヤを有するギヤヘッドは、公知である。

また、複数の巻線を有し、それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えて、主軸の変速を可能にするモータは、公知である。
特開平６−５０３９７号公報

しかし、シフトギヤの選択的係合のみにより主軸の変速を行うと、主軸の出力特性が制限される。

一方、モータの複数巻線の選択的切換のみにより主軸の変速を行うと、主軸の出力特性が制限される。

本発明の目的は、主軸の出力特性を格段に増加させることができるギヤヘッドと変速方法を提供することである。

本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。

（１）主軸と、主軸側に設けた主軸側の複数のギヤと、主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けられた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて、主軸側の複数のギヤの１つに選択的に係合させて主軸の変速を可能とするシフトギヤとを有するギヤヘッドであって、モータが複数の巻線を有し、それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えることによって、主軸の変速を可能にするものであり、モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤによる主軸の変速とを組み合わせて、主軸の出力特性を増加させたことを特徴とするギヤヘッド。

（２）中間軸が軸心方向に穴を有し、この穴を介して潤滑油をシフトギヤの内側に供給してシフトギヤを冷却することを特徴とする前述のギヤヘッド。

（３）主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けられた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて主軸の変速を可能にするシフトギヤとを有するギヤヘッドの変速方法であって、モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤによる主軸の変速とを組み合わせて、主軸の回転数を変化させることを特徴とするギヤヘッドの変速方法。

（４）シフトギヤを高速回転に切換え、かつ、モータを高速出力特性の巻線に切換えて省エネ加工をすることを特徴とする前述ギヤヘッドの変速方法。

（５）中間軸の軸心方向に形成された穴を介して潤滑油をシフトギヤの内側に供給してシフトギヤを冷却することを特徴とする前述のギヤヘッド変速方法。

発明を実施する最良の形態

本発明は、工作機械用主軸のギヤヘッドを改良したものである。

本発明の好ましい実施形態によるギヤヘッドは、主軸と、主軸側に設けた複数のギヤと、主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて、主軸側の複数のギヤの１つに選択的に係合させて主軸の変速を可能とするシフトギヤとを有する。

モータは、複数の巻線を有し、それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えることによって、主軸の変速を可能にするものである。

本発明の更に好ましい実施形態においては、モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤのシフト操作による主軸の変速とを組み合わせて、主軸の出力特性を格段に増加させて、省エネ加工を可能にする。例えば、モータが、低速出力特性および高速出力特性の２種類の巻線を持つモータであり、かつ、シフトギヤと主軸側の複数のギヤが、低速出力特性および高速出力特性の２種類のギヤを有し、モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤのシフト操作による主軸の変速とを組み合わせて、主軸の回転数を省エネ加工ができるように設定する。

さらに、モータの巻線を３種類又はそれ以上にしたり、シフトギヤと主軸側の複数のギヤを３種類又はそれ以上にしてもよい。その場合、主軸の出力特性の種類は、原則として、（モータの巻線数）×（シフトギヤのギヤ数）になる。

また、中間軸が軸心方向に穴を有し、この穴を介して潤滑油をシフトギヤの内側に供給してシフトギヤを冷却する。好ましくは、その穴が中間軸の全長にわたって形成される。

本発明を更に別の観点から述べると、次のとおりである。

モータから何組かの歯車を介して動力を伝達して主軸を回転させる。その際、モータそれ自体を変速可能とする。さらに、歯車による変速を加える。このようにモータの変速と歯車による変速とを組み合わせて、主軸の変速比を複数段で切替をすることができるようにする。

例えば、モータは、複数巻線の選択的切換の可能な変速モータとし、電気信号で回転数を制御できるようにする。

モータは、複数（例えば２種類）の巻線を有し、これらの巻線を電気信号で切替えることによって、出力及び変速の範囲を変更できるモータが好ましい。

モータと主軸の間に中間軸を設ける。中間軸としてスプライン軸を使用するのが好ましい。そのスプライン軸にシフトギヤをシフト可能に設け、シフトギヤをスプライン軸に沿ってスライドさせてギヤの噛み合せを変更して、主軸の変速比を切換える。

好ましくは、種々の加工例において、主軸がその必要出力に応じて少ないモーターエネルギー消費となるように（その時の回転数に関係なく）ギヤレンジ及び巻線切換レンジを組合せることができるようにする。

要するに、一方で、ギヤの咬み合せの組合せを変更することによって２段以上の変速を達成し、他方で、モータの複数の巻線を切換えることにより複数の変速を行う。このようにモータそれ自体の変速とシフトギヤによる変速との組合せによって、より多くの変速段数を実現し、より細かな出力特性を得る。

図１は、本発明の１つの実施例によるギヤヘッドの概略を示す。

ギヤヘッドは、主軸１０と、主軸１０側に設けた、複数のギヤ１２ａ、１２ｂからなる主軸１０側のギヤ１２と、主軸１０を駆動するためのモータ１４と、主軸１０とモータ１４との間に設けた中間軸１６とを有する。

さらに、ギヤヘッドは、中間軸１６にシフト可能に設けられていて、主軸１０側の複数のギヤ１２ａ、１２ｂの１つに選択的に係合させて主軸１０の変速を可能とするシフトギヤ１８を有する。シフトギヤ１８は、好ましくは、低速出力特性および高速出力特性の２種類のギヤ１８ａ、１８ｂを有する。

中間軸１６がスプライン軸として構成されている。その中間軸１６に沿ってシフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂがシフト部材２０によって中間軸１６の軸心方向にシフトされるようになっている。シフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂとシフト部材２０が一緒に中間軸１６の軸心方向にシフトされ、２つのギヤ１８ａ、１８ｂが実線の位置と鎖線の位置との間でシフトされる。その結果、シフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂが実線の位置にあるときは、図１に示されているように、シフトギヤ１８の右側のギヤ１８ｂと主軸側の右側のギヤ１２ｂとが咬み合う。シフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂが鎖線の位置にあるときは、シフトギヤ１８の左側のギヤ１８ａと主軸側の左側のギヤ１２ａとが咬み合う。

図２に示すモータ１４は、複数の巻線を有するモータである。例えば、モータ１４としては、低速出力特性および高速出力特性の２種類の巻線を持つ公知のモータを使用することができる。それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えることによって、主軸１０の変速を可能にする。

モータ１４には、切換ユニット２４が動力線２６によって接続されている。切換ユニット２４は、主軸アンプモジュール等（図示せず）に接続されている。

図３は、本発明の別の実施例を示す。

ギヤヘッドは、主軸１０と、主軸１０に接続されていて、主軸１０側に設けられた複数のギヤ１２ａ、１２ｂからなる主軸１０側のギヤ１２と、主軸１０を駆動するためのモータ１４と、主軸１０とモータ１４との間に設けられた中間軸１６と、中間軸１６にシフト可能に設けられていて、主軸１０側の複数のギヤ１２ａ、１２ｂの１つに選択的に咬み合って主軸１０の変速を可能とするシフトギヤ１８とを有する。

主軸１０は、垂直方向と水平方向のいずれに配置してもよいが、好ましくは、図３に示すように、垂直方向でかつギヤヘッドの下方部に配置する。

シフトギヤ１８は、低速出力特性および高速出力特性の２種類のギヤ１８ａ、１８ｂを有する。

中間軸１６は、スプライン軸として構成されている。この中間軸１６と平行に作動部材２１が設けられている。作動部材２１の右端部は油圧シリンダ２３に結合されている。その油圧シリンダ２３によって作動部材２１を動かして、中間軸１６に沿ってシフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂを、棒状の作動部材２１の左端部に固定されたシフト部材２０によって中間軸１６の軸心方向にシフトするようになっている。その際、シフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂとシフト部材２０が一緒に中間軸１６の軸心方向にシフトされ、２つのギヤ１８ａ、１８ｂが実線の位置と鎖線の位置との間でシフトされる。その結果、シフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂが実線の位置にあるときは、図３に示されているように、シフトギヤ１８の右側のギヤ１８ｂと主軸側の右側のギヤ１２ｂとが咬み合う。シフトギヤ１８の２つのギヤ１８ａ、１８ｂが鎖線の位置にあるときは、シフトギヤ１８の左側のギヤ１８ａと主軸側の左側のギヤ１２ａとが咬み合う。

モータ１４は、図２に示す前述のモータであり、複数の巻線を有する。例えば、モータ１４は、低速出力特性および高速出力特性の２種類の巻線を持つモータである。それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えられることによって、主軸１０の変速を可能にする。図２に示すように、モータ１４には、切換ユニット２４が動力線２６によって接続されている。切換ユニット２４は、主軸アンプモジュール等（図示せず）に接続されている。

図３の実施例においては、中間軸１６が軸心方向に細長い穴３０を有する。この穴３０は、中間軸１６の全長にわたって形成されている。そして、この穴３０を介して冷却油をシフトギヤ１８の内側まで送って、そこから矢印３２の方向に冷却油を供給してシフトギヤ１８を冷却する。

穴３０は、中間軸１６の左端から右端まで貫通しているのが好ましい。

冷却油は、いろいろなオイル通路４０、４２、４４を通って中間軸１６の左端の穴３０の入口に流入して、中間軸１６の中の穴３０を通過する。中間軸１６の途中で矢印３２の方向に冷却油が部分的に流出してシフトギヤ１８を冷却する。さらに、冷却油は、穴３０の中を中間軸１６の右端まで流れ、さらにオイル通路４６、４８を通って所定のオイルタンク（図示せず）に送られる。

主軸１０、主軸側のギヤ１２、モータ１４、中間軸１６、油圧シリンダ２３、オイル通路手段４０〜４８等は、ハウジング５０の所定位置に取りつけられている。

中間軸１６の左端とモータ１４との間には、モータ１４に接続されたモータ側のギヤ５４と、中間軸１６に接続された中間軸側のギヤ５６とが、常時咬み合うように設けられている。

モータ１４の回転動力は、順に、モータ側のギヤ５４、中間軸側のギヤ５６、中間軸１６、シフトギヤ１８、主軸側のギヤ１２、主軸１０へと伝達される。

モータ１４の複数巻線の選択的切換による主軸１０の変速とシフトギヤ１８のシフト操作切換による主軸の変速とを組み合わせて、主軸１０の出力特性を増加させて、省エネの加工を可能とする。

図４〜８は、主軸１０の出力線図である。

主軸１０の回転数を毎分０〜２０，０００回転とする場合、図４に示すように、好ましくは、左から順に、４つのレンジ（１）（２）（３）（４）に区分して設定する。（１）のレンジは、回転数０〜２１０１．７（回転／分）のレンジである。（２）のレンジは、回転数２１０１．７〜３０００（回転／分）のレンジである。（３）のレンジは、回転数３０００〜８０００（回転／分）のレンジである。（４）のレンジは、回転数８０００〜２００００（回転／分）のレンジである。

図４〜８において、グラフの左側の軸はトルク（Ｎ・ｍ）を示し、グラフの右側の軸はモータ１４の動力を示す。モータ１４の最大動力は、１３ＫＷでは１５分間であり、１１ＫＷでは３０分であり、連続では７．５ＫＷである。一点鎖線の曲線は１５分間の場合の比を示し、実線の曲線は３０分間の場合の比を示し、破線の曲線は連続の場合の比を示す。

図４の４つのレンジ（１）（２）（３）（４）について、以下、順に説明する。

図４のレンジ（１）の場合、図５に示すように、シフトギヤ１８は低速ギヤ比を選択し、モータ１４は低速巻線を選択する。

この場合、主軸１０の回転数は、０〜５２５４（回転／分）の範囲にある。

図４のレンジ（２）の場合、図６に示すように、シフトギヤ１８は低速ギヤ比を選択し、モータ１４は高速巻線を選択する。

この場合、主軸１０の回転数は、０〜５２５４（回転／分）の範囲にある。

図４のレンジ（３）の場合、図７に示すように、シフトギヤ１８は高速ギヤ比を選択し、モータ１４は低速巻線を選択する。

この場合、主軸１０の回転数は、０〜２００００（回転／分）の範囲にある。

図４のレンジ（４）の場合、図８に示すように、シフトギヤ１８は高速ギヤ比を選択し、モータ１４は高速巻線を選択する。

この場合、主軸１０の回転数は、０〜２００００（回転／分）の範囲にある。

好ましくは、シフトギヤ１８による変速比の切換とモータ１４の巻線の切換による変速との組合せによって、モータ１４による出力が最大になるように、それぞれ、シフトギヤ１８の切換レンジとモータ１４の巻線の切換レンジを巧みに選択して、図４に示す４つのレンジ（１）（２）（３）（４）のうち最適のレンジ（回転範囲）を決めて主軸１０を回転させるように、予めプログラムを設定しておく。

例えば、図５〜８に示す例では、主軸１０の回転数が毎分７８８回転以上２００００回転以下の範囲にあるとき、最高出力１３ＫＷを得る事が出来る構成となっている。この１３ＫＷは、モータ１４の出力であり、この出力１３ＫＷは、モータ１４自体を回転させる動力（ＡＫＷ）と主軸１０を回転させて加工物を削る動力（ＢＫＷ）とに分けられる。例えば、主軸１０が毎分２０００回転のときの予め決められた変速レンジでは、モータ１４の回転数は毎分３８５０回転である。同じモータ１４の毎分２０００回転を前述の（３）のレンジで回すと、モータ１４の回転数は毎分９６０回転であり、モータ１４自体を回転させる動力（ＡＫＷ）は１／４となり、モータ１４自体で消費されるエネルギーは、（１／４）^２、つまり１／１６となる。但し、この場合、主軸１０から得られる出力は８．５ＫＷである。実際の加工では、５．５ＫＷ以下の出力で加工する場合が多い。

図５〜８に示すレンジ（１）〜（４）つまり回転範囲の切換は、好ましくは、機械の制御シーケンスによってあらかじめ決めておき、指令されたモータ１４の回転数に応じて自動的に切換えるようにする。

シフトギヤ１８を所望位置にシフト操作する油圧シリンダ２３とモータ１４の切換ユニット２４が、制御装置（図示せず）に接続されている。そして、その制御装置において予め設定されたプログラムによって自動的にシフトギヤ１８及びモータ１４の巻線レンジを切換える。とくに、加工の種類に応じて少ない動力で加工出来るようにシフトギヤ１８とモータ１４の巻線をプログラムにしたがって切換えるのである。

次は、そのようなプログラムにしたがった１つの切削加工例を説明する。

図９は、図８に示した、主軸の出力特性のレンジ（４）の１つの具体的な加工例を示す。

図９の加工例においては、シフトギヤ１８が高速ギヤ比に切換えられた状態にある一方、モータ１４は高速巻線に切換えられた状態にある。

被加工物の材質が機械構造用炭素鋼で、４ｍｍのネジ穴加工（タップ加工）をする場合、切削速度が３０ｍ／分であるとすると、主軸１０の回転数は２４００回転／分にする。モータ１４の回転数は、低速レンジが４６２０回転／分、高速レンジが１１５２回転／分である。

図９の加工例において、低速レンジと高速レンジに対する最大出力と所要動力との関係は、例えば、次のとおりである。

低速レンジ 高速レンジ
最大出力（モータ） １３ＫＷ １３ＫＷ
所要動力 モータ回転用 ２．０ ０．２
主軸回転用 ０．３ ０．３
ネジ穴加工用 ０．１ ０．１
所要動力 合計 ２．４ＫＷ ０．６ＫＷ
このように、モータの最大出力が１３ＫＷであるギヤヘッドの主軸によって、例えば４ｍｍのネジ穴加工をする場合、タップ加工そのものに必要な動力は０．１ＫＷである。他は、主軸１０を回転させる動力や、モータ１４自身を回転させる動力である。この加工例の場合、ネジ加工に必要な動力は少なく、ほとんどがネジ加工以外に使われる動力である。

図９と前掲の表からも明らかなように、の前述の加工例で、主軸１０を毎分２４００回転の回転数で回転させる場合、モータ１４を４６２０回転の回転数で回転させねばならない低速レンジの方が、モータ１４を毎分１１５２回転の回転数で回転させれば良い高速レンジよりも大きい動力が必要となる。従って、より小さい動力を要する高速レンジで加工する方が、省エネになる。

図１０は、前述の図９の加工例に対比して、従来の加工例を示す。

図１０の従来の加工例においては、シフトギヤ（図示せず）が低速ギヤ比に切換えられており、モータ（図示せず）は、図９の加工例における高速巻線に相当する巻線を有する。

図９の本発明の加工例と図１０の従来の加工例とを比較すると、ネジ穴加工用動力と主軸回転用動力は、図９及び図１０の両方の加工例において、ぞれぞれ０．１ｋｗと０．３ｋｗであり、両者は同じである。しかし、図９の本発明の加工例において、モータ回転用動力と所要動力は、それぞれ０．２ｋｗと０．６ｋｗであるのに対し、図１０の従来の加工例においては、モータ回転用動力と所要動力は、それぞれ２．０ｋｗと２．４ｋｗである。

図９と図１０を比較すれば明らかなように、本発明の加工例は、従来の加工例よりも省エネに優れた加工である。

本発明の１つの実施例によるギヤヘッドを示す概略図。 図１に示したギヤヘッドに使用するモータの一例を示す概略図。 本発明によるギヤヘッドの具体的な１つの例を示す断面図。 図３に示したギヤヘッドにおける主軸の出力特性の４つのレンジ（１）（２）（３）（４）の例を示すグラフ。 図４に示す、主軸の出力特性のレンジ（１）の例を示すグラフ。 図４に示す、主軸の出力特性のレンジ（２）の例を示すグラフ。 図４に示す、主軸の出力特性のレンジ（３）の例を示すグラフ。 図４に示す、主軸の出力特性のレンジ（４）の例を示すグラフ。 図８に示す、主軸の出力特性のレンジ（４）の具体的な加工例を示すグラフ。 図９の加工例に対比して示す従来の加工例を示すグラフ。

符号の説明

１０ 主軸
１２ 主軸側のギヤ
１２ａ、１２ｂ 主軸側の複数のギヤ
１４ モータ
１６ 中間軸
１８ シフトギヤ
１８ａ、１８ｂ シフトギヤの２つのギヤ
２０ シフト部材
２１ 作動部材
２３ 油圧シリンダ
２４ 切換ユニット
２６ 動力線
３０ 穴
４０、４２、４４、４６、４８ オイル通路手段
５０ ハウジング
５４ モータ側のギヤ
５６ 中間軸側のギヤ

Claims (5)

1. 主軸と、主軸側に設けた主軸側の複数のギヤと、主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けられた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて、主軸側の複数のギヤの１つに選択的に係合させて主軸の変速を可能とするシフトギヤとを有するギヤヘッドであって、
   モータが複数の巻線を有し、それらの巻線の任意の１つに選択的に切り換えることによって、主軸の変速を可能にするものであり、
   モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤによる主軸の変速とを組み合わせて、主軸の出力特性を増加させたことを特徴とするギヤヘッド。
2. 中間軸が軸心方向に穴を有し、この穴を介して潤滑油をシフトギヤの内側に供給してシフトギヤを冷却することを特徴とする請求項１に記載のギヤヘッド。
3. 主軸を駆動するためのモータと、主軸とモータとの間に設けられた中間軸と、中間軸にシフト可能に設けられていて主軸の変速を可能にするシフトギヤとを有するギヤヘッドの変速方法であって、
   モータの複数巻線の選択的切換による主軸の変速とシフトギヤによる主軸の変速とを組み合わせて、主軸の回転数を変化させることを特徴とするギヤヘッドの変速方法。
4. シフトギヤを高速回転に切換え、かつ、モータを高速出力特性の巻線に切換えて省エネ加工をすることを特徴とする請求項３に記載のギヤヘッドの変速方法。
5. 中間軸の軸心方向に形成された穴を介して潤滑油をシフトギヤの内側に供給してシフトギヤを冷却することを特徴とする請求項３又４に記載のギヤヘッド変速方法。

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